碳化硅(SiC)憑借其優(yōu)異的材料特性,在服務(wù)器、工業(yè)電源等關(guān)鍵領(lǐng)域掀起技術(shù)變革浪潮。本教程聚焦 SiC 尤其是 SiC JFET 系列器件,從碳化硅如何重構(gòu)電源設(shè)計邏輯出發(fā),剖析其在工業(yè)與服務(wù)器電源場景的應(yīng)用價值。

我們已經(jīng)介紹了

碳化硅如何革新電源設(shè)計、工業(yè)與服務(wù)器電源。

三種替代 Si 和 SiC MOSFET的方案。

SiC Cascode JFET的動態(tài)特性、SiC Combo JFET的應(yīng)用靈活性。

本文將介紹利用 SiC CJFET替代超結(jié) MOSFET以及開關(guān)電源應(yīng)用。

1、利用 SiC CJFET替代超結(jié) MOSFET

安森美與競品對比

本表對比了安森美(onsemi) EliteSiC CJFET 器件 UJ4C075033K3S 與某競品廠商的Si超結(jié)(SJ) MOSFET 的關(guān)鍵特性。其中,UJ4C075033K3S 在25°C 下的額定值為 750 V,33 mΩ; 而競品Si SJ MOSFET 在25°C 下的額定值為 650 V,29 mΩ。在此對比中,該 CJFET 的反向恢復(fù)電荷 QRR 降低至 1/60,柵極電荷 QG 降低至 1/6,反向傳輸電容 COSS(tr) 降低至 1/10。

最大限度降低反向傳輸電容

SiC CJFET 與 Si SJ MOSFET 之間最顯著的差異在于電容特性與裸片尺寸。在安森美 UJ4C075044B7S CJFET 與某競品 Si SJ MOSFET 的對比中,盡管 CJFET 的阻斷電壓 VBRDSS 高出 100V,且兩者的導(dǎo)通電阻 RDS(on) 額定值相近,但 SJ MOSFET 的反向傳輸電容 COSS(tr) 卻高出 13倍 以上。這一差異源于 SJ MOSFET在低壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出的非線性特性,如下圖所示。CJFET 的電壓轉(zhuǎn)換時間遠(yuǎn)短于SJ MOSFET 。在采用半橋整流拓?fù)?而非全橋)的電源系統(tǒng)中,CJFET 能始終實現(xiàn)顯著更快的開關(guān)速度。

降低導(dǎo)通損耗,縮短死區(qū)時間

在用 SiC CJFET替代 Si SJ MOSFET 時,安森美建議通過調(diào)整死區(qū)時間(dead time)或在 CJFET 上增加緩沖電容,以有效管理因死區(qū)引起的導(dǎo)通損耗。尤其在較高開關(guān)頻率下,死區(qū)時間帶來的影響會變得更加顯著。

對于CJFET而言,從檢測到電流反向到JFET溝道完全導(dǎo)通通常存在延遲。舉例來說:若死區(qū)時間為 100 ns,而開關(guān)頻率為 100 kHz,則開關(guān)周期為 10 μs,此時死區(qū)僅占周期的 1%,該延遲影響相對較小。然而,若開關(guān)頻率提升至 1 MHz,開關(guān)周期將縮短至 1 μs,死區(qū)時間便占整個周期的 10%,其影響不可忽視。

在相同死區(qū)時間下,相較于 Si SJ MOSFET,SiC CJFET 的漏源電壓 VDS 放電速度更快,導(dǎo)致其體二極管在剩余死區(qū)時間內(nèi)持續(xù)導(dǎo)通。假設(shè) CJFET 剩余死區(qū)時間 TDT(CJFET) 為 0.2 μs,體二極管正向壓降 VFD 為 1.2 V,開關(guān)頻率 FSW 為 100 kHz,開關(guān)電流 IC 為 10 A,則全橋拓?fù)渲杏墒Ｓ嗨绤^(qū)引起的功率損耗 PDT 可通過以下公式計算:

在此案例中,計算得出的損耗為0.96W。然而,通過對柵極應(yīng)用Adaptive Gate Control, 在死區(qū)時間內(nèi)提前提升 VG2,讓 VDS(CJFET) 降至 0V 的瞬間開通。即可使該部分損耗趨近于零。這一效果可通過觀測 VDS 與 VGS 的輸出波形加以驗證。

死區(qū)時間越長,體二極管導(dǎo)通損耗的持續(xù)時間也越長。通過縮短 CJFET 的死區(qū)時間,或為其增加緩沖電容以匹配 Si SJ MOSFET 的 COSS ,可有效改善此問題。

消除反向恢復(fù)失效風(fēng)險

在對比 SiC CJFET與Si SJ MOSFET時,當(dāng)兩者具有相同的電流變化率( Δi/Δt )并在相同的結(jié)溫( TJ = 25°C )下工作,安森美UJ4C075033K3S CJFET 的反向恢復(fù)電荷( QRR )最多可比后者低 60 倍 。更小的反向恢復(fù)電荷意味著更高效率、更低噪聲與更優(yōu)的電磁兼容性。此外,CJFET在反向恢復(fù)過程中沒有導(dǎo)致器件失效的風(fēng)險,可顯著提升系統(tǒng)整體穩(wěn)健性。

2、開關(guān)電源應(yīng)用

適用于任何電壓等級的高能效表現(xiàn)

為展示CJFET在電源快速開關(guān)需求下的性能,我們測試了四款不同的安森美 CJFET 器件在3.6 kW圖騰柱功率因數(shù)校正 (TPPFC) 硬開關(guān)拓?fù)渲械男省Ｋ斜粶yCJFET在半負(fù)載條件下均實現(xiàn)了超過99% 的峰值效率。

同步整流 (SR) 技術(shù)

同步整流的實現(xiàn),首先在于用可控的場效應(yīng)晶體管(FET)替代諧振型電源轉(zhuǎn)換器中通常在初級側(cè)(有時也在次級側(cè))使用的二極管。由于這些 FET 的開關(guān)時序可以更直接地控制,轉(zhuǎn)換器輸出的直流波形能夠更準(zhǔn)確地匹配負(fù)載所需的電壓和頻率。

全橋移相有源橋零電壓轉(zhuǎn)換拓?fù)?/span>

以這種在 AC-DC 應(yīng)用中日益普及的電路拓?fù)錇槔?所有通常使用二極管的開關(guān)位置均被場效應(yīng)晶體管替代。“ZVT”代表零電壓轉(zhuǎn)換,該技術(shù)巧妙利用了主變壓器的漏電感與開關(guān)的輸出電容——這些通常被視為寄生元件的特性——并將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。

例如,在標(biāo)準(zhǔn)全橋拓?fù)渲兄糜诔跫墏?cè)外部的漏電感,現(xiàn)在可集成至內(nèi)部。它在實現(xiàn)相同功能的同時,大幅縮減了占用空間。

通過有源橋移相控制,脈寬調(diào)制(PWM)可轉(zhuǎn)換為固定開關(guān)頻率的工作模式,這使控制實現(xiàn)更為簡便,同時降低了開關(guān)對擊穿電壓的耐壓要求。電磁干擾頻譜也更為集中,使系統(tǒng)在整個寬輸出電壓范圍內(nèi)均能實現(xiàn)穩(wěn)定且高效率的運(yùn)行。

零電壓開關(guān)(ZVS)

從電氣工程師的角度來看,全橋功率轉(zhuǎn)換過程的一大優(yōu)勢在于它能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)。嚴(yán)格來說,ZVS 并非一種刻意設(shè)計的技術(shù)手段,而更像是一種可被巧妙利用的物理現(xiàn)象。它通過功率轉(zhuǎn)換器的諧振網(wǎng)絡(luò)(或稱“諧振腔”)得以實現(xiàn)。

典型的零電壓開關(guān)會利用電容和電感構(gòu)成一個諧振電路(即“諧振腔”)。而在實際應(yīng)用中,常以變壓器固有的勵磁電流作為便捷的替代。可以把這個勵磁電流看作一種振蕩信號,它能夠在PFC電路中 MOSFET(或 CJFET)兩端電壓為零(或極低)時,將器件導(dǎo)通。

波形整形的核心思想是:在輸入電壓處于波峰或波谷時導(dǎo)通或關(guān)斷輸出開關(guān),而諧振所產(chǎn)生的自然振蕩,恰好為這種基于電感特性的開關(guān)動作提供了理想時序。

該電流被有意設(shè)置為相位滯后于諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓,正是這種滯后引發(fā)了諧振,從而觸發(fā)場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通(并促使其他開關(guān)按序關(guān)斷)。在此過程中,開關(guān)損耗得以有效避免,EMI 噪聲也顯著降低。

高頻電源的五個轉(zhuǎn)換級

這是前文介紹的圖騰柱PFC完整電路圖。這種全"無橋式"拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含五個功率轉(zhuǎn)換級。最左側(cè)為硬開關(guān),其余四個均采用軟開關(guān)技術(shù)。從左至右,每個同步整流轉(zhuǎn)換級的電路結(jié)構(gòu)逐級簡化。

對于“快速橋臂”(即硬開關(guān)),圖騰柱PFC需搭配RC緩沖器使用CJFET。若PCB布局空間受限無法容納此元件,則 SiC MOSFET 可能成為唯一選擇。否則,若考慮 CJFET 配合 RC 緩沖電路所能實現(xiàn)的性能特性,CJFET 將是更優(yōu)方案。

對于"慢速橋臂"(即同步整流器件),其核心要求是具備低導(dǎo)通電阻RDS(on) ,因此CJFET是最佳選擇。

對于位于中間的初級 LLC 轉(zhuǎn)換級(因其緊鄰兩個電感L和一個電容C而得名),導(dǎo)通損耗是主要損耗因素。在高開關(guān)頻率下,關(guān)斷開關(guān)損耗是另一個關(guān)鍵參數(shù),因為 LLC 作為一種零電壓開關(guān)(ZVS)拓?fù)?不存在導(dǎo)通損耗。CJFET 在配置緩沖器后已展現(xiàn)出極低的關(guān)斷能量損耗Eoff ,因此是初級 LLC 轉(zhuǎn)換級的最佳選擇。

隨后的次級 LLC 轉(zhuǎn)換級以及最右側(cè)的 O-Ring 級可用于 400 V 輸出電壓的設(shè)計中。對于此類高壓應(yīng)用,低導(dǎo)通電阻 RDS(on) 和低輸出電容 COSS 至關(guān)重要,這使得 CJFET 在整個次級側(cè)相比 SiC MOSFET 或 Si SJ MOSFET 更具優(yōu)勢。

未完待續(xù),我們將介紹CJFET通常需要配置緩沖電路的原因等。